[논문 리뷰] Prefrontal cortex functional connectivity based on simultaneous record of electrical and hemodynamic responses associated with mental stress

Fares Al-Shargie|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 08.

Heart Rate Variability and Autonomic Control인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 정신적 스트레스 기간 동안 뇌의 전측prefrontal 피질(PFC) 기능적 연결성을 동시 EEG 및 fNIRS 기록을 사용하여 조사한다. 아침파(8–13 Hz)와 혈액 산소 및 탈산소화된 헤모글로빈의 혈류역학 반응을 분석한다. 결과적으로, 전측외측 PFC에서 이측 및 동측 기능적 연결성이 유의미하게 감소하였으며, 스트레스 조건에서 오른쪽 대뇌반구 지배가 더 두드러졌다.

ABSTRACT

This paper investigates prefrontal cortex (PFC) functional connectivity based on synchronized electrical and hemodynamic responses associated with mental stress. The electrical response was based on alpha rhythmic of Electroencephalography (EEG) signals and the hemodynamic responses were based on the mean concentrations of oxygenated and deoxygenated hemoglobin measured using functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS). The aim is to explore the effects of stress on the inter and intra hemispheric PFC functional connectivity at narrow and wide frequency bands with 8- 13 Hz in EEG and 0.009-0.1Hz in fNIRS signals. The results demonstrated significantly reduce in the functional connectivity on the dorsolateral PFC within the inter and intra hemispheric PFC areas based in EEG alpha rhythmic and fNIRS oxygenated and deoxygenated hemoglobin. The statistical analysis further demonstrated right dorsolateral dominant to mental stress.

연구 동기 및 목표

• 다중모odal 뇌영상 기법을 사용하여 정신적 스트레스 기간 동안 전측prefrontal 피질(PFC)의 기능적 연결성을 조사하기.
• 스트레스 조건에서 전기적(EEG 아침파 리듬) 및 혈류역학적(fNIRS) 반응 간의 관계를 조사하기.
• 좁은(8–13 Hz) 및 넓은(0.009–0.1 Hz) 주파수 대역에서 전측외측 PFC의 이측 및 동측 연결성 변화를 평가하기.
• 특히 정신적 스트레스에 대한 반응으로 오른쪽 전측외측 PFC 지배가 나타나는 편측성 영향을 규명하기.

제안 방법

• 정신적 스트레스 작업 동안 EEG 및 fNIRS 신호를 동시 기록하기.
• 전측prefrontal 영역에서 EEG 아침파 대역 전력(8–13 Hz)을 추출하여 전기 활동 평가하기.
• fNIRS를 사용하여 산소화된(HbO) 및 탈산소화된(HbR) 헤모글로빈의 평균 농도를 측정하여 혈류역학 반응 분석하기.
• 각 대뇌반구 간 및 각 대뇌반구 내에서 PFC 영역 간의 기능적 연결성을 상관계수 또는 공진도 지표를 사용하여 계산하기.
• 주파수 대역별 분석: EEG는 8–13 Hz(아침파), fNIRS는 0.009–0.1 Hz(저주파 변동)에 적용하기.
• 조건 간 연결성 강도를 통계적으로 비교하며, 특히 오른쪽 대비 왼쪽 전측외측 PFC에 중점을 두기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정신적 스트레스는 EEG 및 fNIRS로 측정된 전측외측 전측prefrontal 피질(DLPFC)의 기능적 연결성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스트레스 기간 동안 전측prefrontal 피질에서 EEG 아침파 리듬과 혈류역학 반응(HbO/HbR) 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 스트레스 조건 하에서 이측 및 동측 PFC 영역 간 기능적 연결성에 유의미한 차이가 있는가?
• RQ4 왼쪽 또는 오른쪽 대뇌반구 중 어떤 것이 정신적 스트레스에 대한 기능적 연결성 손상이 더 심한가?

주요 결과

• 정신적 스트레스 기간 동안 전측외측 전측prefrontal 피질(DLPFC)에서 이측 및 동측 연결성 모두에서 기능적 연결성이 유의미하게 감소하였다.
• EEG 아침파 대역(8–13 Hz)과 fNIRS를 통해 유도된 혈류역학 신호(HbO 및 HbR)에서 둘 다 기능적 연결성 감소가 일관되게 관찰되었다.
• 오른쪽 전측외측 PFC에서 왼쪽에 비해 더 심한 기능적 연결성 손상이 나타났으며, 이는 정신적 스트레스에 대한 오른쪽 대뇌반구 지배를 시사한다.
• EEG 및 fNIRS의 통합 분석을 통해 연결성 억제 패tern이 일관되게 드러났으며, 이는 PFC 스트레스 반응의 다중모달 검증을 뒷받침한다.